소리굽쇠
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1. 개요
소리굽쇠는 특정 음높이의 소리를 내는 포크 모양의 음향 공명기로, 1711년 영국 왕실 관현악단 트럼펫 연주자 존 쇼어에 의해 발명되었다. 소리굽쇠는 순수한 음을 생성하며, 악기 조율, 청력 검사, 과학 실험 등 다양한 용도로 사용된다. 또한, 현대 쿼츠 시계의 수정 발진기나 과거의 소리굽쇠 시계와 같이 시계 기술에도 활용되었다.
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| 소리굽쇠 | |
|---|---|
| 개요 | |
 | |
| 종류 | 악기 |
| 발명자 | 존 쇼어 |
| 발명 연도 | 1711년 |
| 특징 | |
| 재질 | 강철 |
| 용도 | 악기 조율 음향 실험 의료 진단 |
| 작동 원리 | 고유 진동수에 의해 일정한 음높이의 소리 발생 |
| 상세 정보 | |
| 구조 | U자 모양의 금속 막대와 손잡이로 구성 |
| 음높이 조절 | 막대의 길이, 두께, 재질 등으로 조절 |
| 사용법 | 물체에 부딪혀 진동시킴 진동하는 부분을 공명통에 대어 소리 증폭 |
| 역사 | 1711년 존 쇼어가 발명 초기에는 음높이 표준으로 사용 이후 악기 조율, 음향 실험, 의료 진단 등에 활용 |
| 관련 용어 | 헤르츠 (Hz) 진동수 공명 음파 |
| 음향학적 특성 | |
| 기본 진동 모드 | 두 개의 프롱이 서로 반대 방향으로 움직이는 대칭 모드 |
| 배음 | 이상적인 경우 기본 주파수 외의 배음은 거의 없음 |
| 추가 정보 | |
| 음향 치료 | 소리굽쇠를 이용한 대체의학 요법 존재 |
2. 역사
소리굽쇠는 1711년 영국 왕실 관현악단 소속 트럼펫 연주자였던 John Shore|존 쇼어영어가 발명하였다.[19] 소리굽쇠가 발명되기 전에는 주로 피치 파이프(조율 피리)가 사용되었다.[19]
1859년 프랑스 정부는 표준음 a1을 15℃에서 435Hz(콘티넨탈 피치)로 정하고, 쥘 앙투안 리사주가 표준 소리굽쇠(Normal Diapason)를 제작했다.[19] 그러나 표준음은 세계 각국에서 통일되지 않아 베르사유 피치의 a1392Hz나 바로크 피치의 a1415Hz 등도 있었다.[19] 1939년 런던 국제 회의에서 표준음 a1은 20℃에서 440Hz로 정해졌다.[19](단, 연주회에서는 442Hz로 하는 경우가 많다.[19])
음향학 분야에서는 특정 주파수의 음원으로 사용하기 위해 단일 소리굽쇠를 여러 개 모은 토노미터를 사용하기도 한다.
2. 1. 발명과 초기 발전
소리굽쇠는 영국 왕실 관현악단 소속 트럼펫 연주자였던 John Shore|존 쇼어영어가 발명하였다.[19] 소리굽쇠가 발명되기 전에는 주로 피치 파이프(조율 피리)가 사용되었다.[19]1859년 프랑스 정부는 표준음 a1을 15℃에서 435Hz(콘티넨탈 피치)로 정하고, 쥘 앙투안 리사주가 표준 소리굽쇠(Normal Diapason)를 제작했다.[19] 그러나 표준음은 세계 각국에서 통일되지 않아 베르사유 피치의 a1392Hz나 바로크 피치의 a1415Hz 등도 있었다.[19] 1939년 런던 국제 회의에서 표준음 a1은 20℃에서 440Hz로 정해졌다.[19](단, 연주회에서는 442Hz로 하는 경우가 많다.[19])
음향학 분야에서 특정 주파수의 음원으로 사용하기 위해 단일 소리굽쇠를 여러 개 모은 토노미터가 있다. 이는 1834년에 Johann Scheibler|요한 하인리히 샤이블러영어가 고안하였다. 일정 간격으로 공진 주파수가 다른 소리굽쇠를 배열하고 측정하고 싶은 소리와 토노미터의 소리굽쇠 간의 맥놀이를 이용하여 측정하고 싶은 소리의 주파수를 측정한다. 토노미터는 Rudolph Koenig|루돌프 쾨니히영어에 의해 고도로 진화한 것이 제작되었다.
2. 2. 표준음 정립
1859년 프랑스 정부는 표준음 a1을 15℃에서 435Hz(콘티넨탈 피치)로 정하고, 쥘 앙투안 리사주가 표준 음차(Normal Diapason)를 제작했다.[19] 그러나 표준음은 세계 각국에서 통일되지 않아 베르사유 피치의 a1392Hz나 바로크 피치의 a1415Hz 등도 있었다.[19] 1939년 런던 국제 회의에서 표준음 a1은 20℃에서 440Hz로 정해졌다.[19](단, 연주회에서는 442Hz로 하는 경우가 많다.[19])2. 3. 토노미터
1834년 Johann Scheibler영어(요한 하인리히 샤이블러)가 고안하였다. 일정 간격으로 공진 주파수가 다른 음차를 배열하고, 측정하고 싶은 소리와 토노미터의 음차 간의 맥놀이를 이용하여 측정하고 싶은 소리의 주파수를 측정한다. 토노미터는 Rudolph Koenig영어(루돌프 쾨니히)에 의해 고도로 진화한 것이 제작되었다.3. 소리굽쇠의 특징 및 작동 원리
소리굽쇠는 고정된 음을 내기 위해 사용되는 포크 모양의 음향 공명기이다. 포크 모양을 사용하는 주된 이유는 다른 많은 유형의 공명기와 달리, 대부분의 진동 에너지가 기본 주파수에 집중되어 매우 순수한 음을 생성하고, 감쇠비 없이 받침대를 잡을 수 있기 때문이다. 이는 진동의 주요 정상 모드가 대칭적이어서 두 갈래가 항상 반대 방향으로 움직여, 두 갈래가 만나는 받침대에 마디 (진동이 없는 지점)가 생기기 때문이다.
상업용 소리굽쇠는 공장에서 정확한 음높이로 조율되며, 헤르츠 단위의 음높이와 주파수가 새겨져 있다. 갈래에서 재료를 갈아내어 재조율할 수 있는데, 갈래의 끝을 갈아내면 음높이가 높아지고, 갈래 받침대 안쪽을 갈아내면 음높이가 낮아진다.
현재 가장 흔한 소리굽쇠는 A = 440 Hz 음을 내며, 이는 많은 오케스트라에서 사용하는 표준 콘서트 피치이다. 1750년에서 1820년 사이의 오케스트라는 대부분 A = 423.5 Hz를 사용했지만, 많은 소리굽쇠와 약간 다른 음높이가 존재했다.[5]
소리굽쇠의 음높이는 온도에 따라 약간 변한다. 강철 소리굽쇠의 경우 섭씨 1도당 86 ppm의 주파수 변화가 일반적이며, 온도가 증가하면 주파수는 감소한다.[6] 소리굽쇠는 표준 온도 및 압력 (20°C)에서 정확한 음높이를 갖도록 제조된다.
소리굽쇠의 소재는 주로 강철(탄소강)이며, 경량화를 위해 알루미늄이나 듀랄루민이 사용되기도 한다.[19][20] U자형을 하고 있으며, 하단에 손잡이가 달려 있다.
3. 1. 순음 생성
소리굽쇠는 다른 많은 유형의 공명기와 달리, 대부분의 진동 에너지가 기본 주파수에 집중되어 매우 순수한 음을 생성한다. 그 이유는 첫 번째 배음의 주파수가 기본 주파수의 약 6.25 배 (약 2.5 옥타브 위)이기 때문이다.[2] 소리굽쇠를 치면 에너지의 일부만 배음 모드로 들어가며, 이 모드 또한 빠르게 사라져 기본 주파수에서 순수한 사인파만 남게 된다.소리굽쇠의 진동은 주요 정상 모드가 대칭적이어서 두 갈래가 항상 반대 방향으로 움직인다. 따라서 두 갈래가 만나는 받침대에는 마디가 있어 진동 에너지를 제거하지 않고 다룰 수 있다. 그러나 손잡이에는 종 방향으로 작은 움직임이 유도되며, 이는 사운드 보드를 사용하여 들을 수 있다. 소리굽쇠의 받침대를 나무 상자, 탁자 상판 등에 대면, 이 작은 움직임이 부분적으로 공기 중의 가청 음으로 변환된다.[3]
소리굽쇠의 음높이는 골전도를 통해 직접 들을 수 있다.[4] 소리굽쇠를 그냥 공중에 들고 있으면 강철과 공기 사이의 음향 임피던스 불일치로 인해 소리가 매우 희미하다. 게다가 각 갈래에서 나오는 미약한 음파는 180° 위상이 어긋나므로, 이 두 개의 반대 파동은 서로 간섭하여 서로를 상당히 상쇄시킨다. 따라서 진동하는 포크의 갈래 사이에 단단한 판을 밀어 넣으면, 이 상쇄가 줄어들기 때문에 겉보기 볼륨이 실제로 증가한다.
소리굽쇠가 내는 소리는 거의 순음이다. 두드린 직후에는 다양한 상음을 포함하고 있지만 이 형태에서는 기본음 이외의 소리는 지속될 수 없으므로 곧 사라지고 순음을 얻을 수 있다.
과학 실험 등에서는 공명 상자 부착 소리굽쇠가 사용된다.[19]
3. 2. 마디점
소리굽쇠는 두 갈래가 만나는 받침대에 마디 (진동이 없는 지점)가 존재한다. 소리굽쇠의 진동은 대칭적이어서 두 갈래는 항상 반대 방향으로 움직이는데, 이 덕분에 마디에서 진동 에너지가 제거(감쇠)되지 않고 소리굽쇠를 다룰 수 있다.[2]
3. 3. 소리 증폭
소리굽쇠는 감쇠비 없이 받침대를 잡을 수 있기 때문에 소리 증폭에 유리하다. 주요 진동 정상 모드가 대칭적이어서 두 갈래가 항상 반대 방향으로 움직이므로, 두 갈래가 만나는 받침대에는 마디가 생긴다. 이 마디는 진동 에너지를 제거하지 않고 소리굽쇠를 다룰 수 있게 해준다.[2] 하지만 손잡이에는 종 방향으로 작은 움직임이 유도되며, 이는 사운드 보드를 통해 증폭될 수 있다. 소리굽쇠의 받침대를 나무 상자, 탁자 상판, 악기의 브리지 등에 대면, 이 작은 움직임이 공기 중의 가청음으로 변환된다.[3]소리굽쇠의 음높이는 골전도를 통해서도 들을 수 있다. 귀 뒤의 뼈에 소리굽쇠를 대거나, 이빨에 물면 소리를 들을 수 있으며, 양손을 자유롭게 사용할 수 있다.[4] 소리굽쇠를 이용한 골전도는 웨버 검사, 린네 검사 등에서 중이를 우회하여 청력을 검사하는 데 사용된다.
소리굽쇠를 그냥 공중에 들고 있으면 소리가 매우 희미한데, 이는 강철과 공기 사이의 음향 임피던스 불일치 때문이다. 또한, 각 갈래에서 나오는 음파는 위상이 180° 어긋나 서로 간섭하여 상쇄된다. 따라서 진동하는 소리굽쇠 갈래 사이에 단단한 판을 밀어 넣으면, 이 상쇄가 줄어들어 소리가 커진다.
과학 실험 등에서는 공명 상자가 부착된 소리굽쇠가 사용된다.[19] 공명 상자는 공명에 의해 큰 소리를 발생시키기 위해 소리굽쇠 아래에 부착하는 상자로, 한 면이 비어 있어 소리가 나도록 되어 있다.
3. 4. 주파수 계산
소리굽쇠의 진동수는 소리굽쇠의 재료와 치수에 따라 결정되며, 다음 공식으로 계산할 수 있다.:
각 변수의 의미는 다음과 같다.
| 기호 | 의미 | 단위 |
|---|---|---|
| f | 소리굽쇠의 진동 주파수 | Hz 또는 1/s |
| N | ≈ 3.516015: 코사인(x)cosh(x) -1]의 가장 작은 양의 해의 제곱[8] (갈라진 부분의 캔틸레버 구조 경계 조건에서 유도됨) | 해당사항 없음 |
| L | 갈라진 부분의 길이 | m |
| E | 소리굽쇠 재료의 영률 (탄성 계수 또는 강성) | Pa 또는 N/m2 또는 kg/(ms2) |
| I | 단면의 단면 2차 모멘트 | m4 |
| ρ | 소리굽쇠 재료의 밀도 | kg/m3 |
| A | 갈라진 부분의 단면 면적 | m2 |
위 식에서 비율은 다음과 같이 다시 쓸 수 있다.
- 갈라진 부분이 반지름 ''r''인 원통형인 경우:
- 갈라진 부분이 움직이는 방향으로 너비 ''a''인 직사각형 단면인 경우:
4. 용도
소리굽쇠는 전통적으로 악기 조율에 사용되었지만, 전자 튜너가 대부분 이를 대체했다. 소리굽쇠는 전자 발진기로 구동되는 전자석을 갈래 근처에 배치하여 전기적으로 구동할 수 있다.
| 용도 | 설명 |
|---|---|
| 음악용 | 악기 조율이나 발성의 기본음을 확인하는 데 사용한다. |
| 의료용 | 청각 검사 외에 뇌 외과 의사의 감각 검사 및 당뇨병 진행 정도를 확인하기 위한 풋 케어에 사용한다. |
| 과학 실험용 | 공명 상자가 달린 소리굽쇠로 공명 및 맥놀이 실험에 사용한다. |
| 교정용 | 도플러 효과를 이용한 속도 측정기의 교정에 사용된다. |
| 힐링용 | 미국이나 독일 등에서는 몸(내장)에 소리굽쇠의 파동을 주어 몸 상태를 조절할 목적으로 사용한다. |
4. 1. 악기 조율
소리굽쇠는 순수한 음을 생성하기 때문에 악기 조율에 사용된다.[2] 소리굽쇠를 치면 에너지 일부만 배음 모드로 들어가고, 이 모드 또한 빠르게 사라져 기본 주파수의 순수한 사인파만 남게 된다.소리굽쇠가 포크 모양인 이유는 감쇠비 없이 받침대를 잡을 수 있기 때문이다. 진동의 주요 정상 모드가 대칭적이라 두 갈래가 항상 반대 방향으로 움직이므로, 두 갈래가 만나는 받침대에는 마디(진동이 없는 지점)가 있어 진동 에너지를 제거하지 않고 다룰 수 있다.[3]
소리굽쇠 받침대를 나무 상자, 탁자 상판, 악기 브리지와 같은 사운드 보드에 대면, 작은 움직임(높은 음압)이 부분적으로 공기 중 가청 음으로 변환되어 낮은 압력(낮은 음향 임피던스)에서 더 큰 움직임(입자 속도)을 수반한다.[3] 소리굽쇠 음높이는 귀 뒤 뼈에 대거나, 손잡이를 이빨에 물고 골전도로 들을 수 있다.[4]
상업용 소리굽쇠는 공장에서 정확한 음높이로 조율되며, 헤르츠 단위 음높이와 주파수가 새겨진다. 갈래 끝을 갈면 음높이가 높아지고, 받침대 안쪽을 갈면 낮아진다.
현재 가장 흔한 소리굽쇠는 A = 440 Hz 음을 내며, 이는 많은 오케스트라의 표준 콘서트 피치이다. 1750~1820년 오케스트라는 대부분 A = 423.5 Hz를 사용했지만, 다양한 소리굽쇠와 음높이가 존재했다.[5]
소리굽쇠 음높이는 온도에 따라 변한다. 강철 소리굽쇠는 화씨 1도당 48 ppm (섭씨 1도당 86 ppm) 주파수가 변하며, 온도 증가에 따라 감소(플랫)한다.[6]
소리굽쇠는 전통적으로 악기 조율에 사용되었지만, 전자 튜너가 대체했다.
로즈 피아노 등 여러 건반 악기는 소리굽쇠와 유사한 원리를 사용한다. 로즈 피아노는 해머가 픽업 자기장에서 진동하는 금속 톤을 때려 전기 증폭 신호를 생성한다. 무증폭 덜시톤은 소리굽쇠를 직접 사용했지만 음량이 작았다.
4. 2. 의료 진단
소리굽쇠는 주로 C512 진동수를 가지며, 의료 전문가들이 환자의 청력을 평가하는 데 사용된다. 주로 웨버 검사와 린네 검사라는 두 가지 검사를 통해 청력을 평가한다.[12] 이러한 검사는 골전도를 이용하여 소리굽쇠의 소리를 듣게 함으로써, 중이를 거치지 않고 청력을 검사하는 방법이다.[4]또한, C128과 같이 낮은 음높이를 가진 소리굽쇠는 말초 신경계 검사의 일부로 진동 감각을 확인하는 데 사용되기도 한다.[12]
정형외과 의사들은 골절이 의심되는 부상을 평가하기 위해 소리굽쇠(최저 주파수 C=128)를 사용하기도 한다. 진동하는 소리굽쇠의 끝을 의심되는 골절 부위 위 피부에 대고, 골절 부위에 점차 가까이 가져가면, 골절이 있을 경우 뼈의 골막이 진동하여 통각 수용체를 자극해 날카로운 통증을 유발한다. 하지만, 국소 염좌로 인한 통증과 구별하기 어려워 잘못된 양성 결과가 나올 수 있다. 2014년 BMJ Open에 발표된 체계적인 검토에 따르면 이 검사법은 임상적으로 충분히 신뢰하기 어렵다고 한다.[13]
4. 3. 과학 실험
레일리에 따르면, 물리학자와 음향 기기 제작자들은 철학적 또는 과학적 음높이인 C=512를 표준 음높이로 사용했다.[10] 존 쇼어가 게오르크 프리드리히 헨델에게 준 소리굽쇠도 C=512였다.[11]
의료 전문가들은 일반적으로 C512 소리굽쇠를 사용하여 웨버 검사와 린네 검사를 통해 환자의 청력을 평가한다. C128과 같이 낮은 음높이의 소리굽쇠는 말초 신경계 검사에서 진동 감각을 확인하는 데 사용되기도 한다.[12]
정형외과 의사들은 골절 의심 부위를 평가하기 위해 최저 주파수 C=128 소리굽쇠를 사용하는 방법을 연구해왔다. 진동하는 소리굽쇠 끝을 의심되는 골절 부위 위 피부에 대고 점차 가까이 가져가면, 골절 시 뼈의 골막이 진동하여 통각 수용체를 자극, 국소적인 날카로운 통증을 유발한다. 이는 의료용 X-레이 촬영이 필요한 골절을 나타낼 수 있다. 다만, 국소 염좌로 인한 통증은 위양성 반응을 보일 수 있다. 그러나 실제 골절을 놓치는 것보다 위양성 반응을 보이는 것이 낫기 때문에, X-레이 촬영은 필수적인 관행이다. 2014년 BMJ Open에 발표된 체계적 검토에 따르면, 이 기술은 임상적으로 충분히 신뢰할 수 있거나 정확하지 않다.[13]
과학 실험용 소리굽쇠는 공명 상자가 달린 형태로, 공명 및 맥놀이 실험에 사용된다.[19]
4. 4. 기타
소리굽쇠는 전통적으로 악기 조율에 사용되었지만, 전자 튜너가 대부분 이를 대체했다. 소리굽쇠는 전자 발진기로 구동되는 전자석을 갈래 근처에 배치하여 전기적으로 구동할 수 있다.소리굽쇠는 대체 의학의 여러 분야, 예를 들어 음파 침술과 극성 치료와 같은 치료법에서도 역할을 한다.[15][16]
차량 속도나 스포츠에서 공의 속도를 측정하는 레이더 건은 일반적으로 소리굽쇠로 교정한다.[15][16] 이러한 소리굽쇠는 주파수 대신 교정 속도와 레이더 대역(예: X-대역 또는 K-대역)으로 표시되어 있다.
이중형 및 H형 소리굽쇠는 전술 등급 진동 구조 자이로스코프 및 다양한 종류의 미세 전자기계 시스템에 사용된다.[17]
소리굽쇠는 진동형 포인트 레벨 센서의 감지 부분을 형성한다. 소리굽쇠는 압전 소자에 의해 공진 주파수로 진동을 유지한다. 고체와 접촉하면 진동 진폭이 감소하며, 이는 고체의 포인트 레벨을 감지하는 스위칭 파라미터로 사용된다.[18] 액체의 경우, 소리굽쇠의 공진 주파수가 액체와 접촉하면 변화하며, 주파수 변화를 사용하여 레벨을 감지한다.
| 용도 | 설명 |
|---|---|
| 음악용 | 악기 조율이나 발성의 기본음을 확인하는 데 사용한다. |
| 의료용 | 청각 검사 외에 뇌외과의 감각 검사 및 당뇨병 진행 정도를 확인하기 위한 풋 케어에 사용한다. |
| 과학 실험용 | 공명 상자가 달린 소리굽쇠로 공명 및 맥놀이 실험에 사용한다. |
| 교정용 | 도플러 효과를 이용한 속도 측정기의 교정에 사용된다. |
| 힐링용 | 미국이나 독일 등에서는 몸(내장)에 소리굽쇠의 파동을 주어 몸 상태를 조절할 목적으로 사용한다. |
5. 소리굽쇠와 시계
현대 쿼츠 시계의 시간 유지 요소로 사용되는 석영 결정은 작은 소리굽쇠 형태를 띈다. 이것은 보통 초음파 범위 (인간 청력 범위 이상)에서 32,768Hz의 주파수로 진동한다. 이것은 전자 발진기 회로에 의해 석영 표면에 도금된 금속 전극에 가해지는 작은 진동 전압에 의해 진동하게 된다. 석영은 압전 효과를 가지므로 전압이 가해지면 팁이 빠르게 앞뒤로 구부러진다.
1960년부터 Max Hetzel[9]이 개발하고 Bulova에서 제조한 전기 기계식 시계인 Accutron은 배터리 구동 트랜지스터 발진기 회로에 부착된 전자기기로 구동되는 360-헤르츠 강철 소리굽쇠를 시간 유지 장치로 사용했다. 소리굽쇠는 기존의 밸런스 휠 시계보다 더 높은 정확도를 제공했다. 소리굽쇠의 웅웅거리는 소리는 시계를 귀에 대면 들을 수 있었다.
주파수 합성기가 보급되기 전에는 발진 회로의 신호원으로 소리굽쇠 발진기가 이용되었다.[20] 또한 소리굽쇠형 수정 진동자가 쿼츠 시계 등에 이용되고 있다.[21]
과거에는 전기적으로 발진시킨 소리굽쇠의 진동을 직접 톱니바퀴에 전달하여 시계를 구동하는 소리굽쇠 시계가 제조되기도 했다.
참조
[1]
논문
History of the tuning fork. I: Invention of the tuning fork, its course in music and natural sciences. Pictures from the history of otorhinolaryngology, presented by instruments from the collection of the Ingolstadt German Medical History Museum
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1999-04-23
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특허
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논문
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논문
Is there sufficient evidence for tuning fork tests in diagnosing fractures? A systematic review
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[14]
뉴스
SONOPUNCTURE: Acupuncture Without Needles
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웹사이트
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[17]
서적
Proceedings of Anniversary Workshop on Solid-State Gyroscopy (19–21 May 2008. Yalta, Ukraine)
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2009
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웹사이트
Vital- Vibrating Fork Level Switch for Solids
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[19]
웹사이트
音叉と音叉にかかわる『音』の話
https://www.jas-audi[...]
JAS Journal 2017 Vol.57 No.1（1月号）
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웹사이트
Q and A (071)
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日本音響学会
[21]
서적
よくわかる最新電波と周波数の基本と仕組み
秀和システム
2010年
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